I ricercatori della Duke University e della Michigan State University hanno progettato un nuovo tipo di supercondensatore che rimane perfettamente funzionante anche se allungato fino a otto volte la sua dimensione originale. Non mostra alcuna usura da allungamento ripetuto e perde solo pochi punti percentuali di prestazioni energetiche dopo 10, 000 cicli di carica e scarica.

I ricercatori immaginano che il supercondensatore faccia parte di un sistema indipendente dalla potenza, estensibile, sistema elettronico flessibile per applicazioni come dispositivi elettronici indossabili o dispositivi biomedici.

I risultati appaiono online il 19 marzo in Questione , un diario di Cell Press. Il team di ricerca comprende l'autore senior Changyong Cao, assistente professore di imballaggio, ingegneria meccanica e ingegneria elettrica e informatica presso la Michigan State University (MSU), e l'autore senior Jeff Glass, professore di ingegneria elettrica e informatica alla Duke. I loro coautori sono i dottorandi Yihao Zhou e Qiwei Han e il ricercatore Charles Parker della Duke, così come il dottorato di ricerca lo studente Yunteng Cao del Massachusetts Institutes of Technology.

"Il nostro obiettivo è sviluppare dispositivi innovativi in ​​grado di sopravvivere a deformazioni meccaniche come stiramenti, torcendosi o piegandosi senza perdere prestazioni, " disse Cao, direttore del Laboratorio per le macchine morbide e l'elettronica della MSU. "Ma se la fonte di energia di un dispositivo elettronico estensibile non è estensibile, quindi l'intero sistema del dispositivo sarà vincolato a non essere estensibile."

Un supercondensatore (a volte indicato anche come ultracondensatore) immagazzina energia come una batteria, ma con alcune importanti differenze. A differenza delle batterie, che immagazzinano energia chimicamente e generano cariche attraverso reazioni chimiche, un supercondensatore elettrostatico a doppio strato (EDLSC), immagazzina energia attraverso la separazione di carica e non può creare la propria elettricità. Deve essere addebitato da una fonte esterna. Durante la ricarica, gli elettroni sono accumulati su una parte del dispositivo e rimossi dall'altra, in modo che quando i due lati sono collegati, l'elettricità scorre rapidamente tra di loro.

Inoltre, a differenza delle batterie, i supercondensatori sono in grado di scaricare la loro energia in brevi ma massicce raffiche, piuttosto che attraverso un lungo, lento gocciolamento. Possono anche caricare e scaricare molto più velocemente di una batteria e tollerare molti più cicli di carica-scarica rispetto a una batteria ricaricabile. Questo li rende perfetti per brevi, applicazioni ad alta potenza come l'attivazione del flash in una fotocamera o gli amplificatori in uno stereo.

Ma la maggior parte dei supercondensatori sono duri e fragili come qualsiasi altro componente su un circuito. Ecco perché Cao e Glass hanno passato anni a lavorare su una versione estensibile.

Nel loro nuovo documento, i ricercatori dimostrano il culmine del loro lavoro fino a questo punto, fabbricando un supercondensatore delle dimensioni di un francobollo che può trasportare più di due volt. Quando si collegano quattro insieme, come molti dispositivi richiedono per batterie AA o AAA, i supercondensatori potrebbero alimentare un orologio Casio da due volt per un'ora e mezza.

Per realizzare i supercondensatori estensibili, Glass e il suo team di ricerca prima coltivano una foresta di nanotubi di carbonio, un insieme di milioni di nanotubi di soli 15 nanometri di diametro e 20-30 micrometri di altezza, sopra un wafer di silicio. È circa la larghezza dei batteri più piccoli e l'altezza della cellula animale che infetta.

I ricercatori hanno quindi rivestito un sottile strato di nanofilm d'oro sopra la foresta di nanotubi di carbonio. Lo strato d'oro agisce come una sorta di collettore elettrico, abbassando la resistenza del dispositivo di un ordine di grandezza rispetto alle versioni precedenti, che consente al dispositivo di caricarsi e scaricarsi molto più velocemente.

Glass passa quindi il processo di ingegneria a Cao, che trasferisce la foresta di nanotubi di carbonio su un substrato di elastomero prestirato con la base dorata rivolta verso il basso. L'elettrodo riempito di gel viene quindi rilassato per consentire il rilascio della pre-deformazione, facendolo rimpicciolire a un quarto della sua dimensione originale. Questo processo accartoccia il sottile strato d'oro e frantuma gli "alberi" nella foresta di nanotubi di carbonio.

"Lo accartocciamento aumenta notevolmente la quantità di superficie disponibile in una piccola quantità di spazio, che aumenta la quantità di carica che può contenere, " spiegò Glass. "Se avessimo tutto lo spazio del mondo con cui lavorare, una superficie piana andrebbe bene. Ma se vogliamo un supercondensatore che possa essere utilizzato in dispositivi reali, dobbiamo renderlo il più piccolo possibile".

La foresta super densa viene quindi riempita con un elettrolita in gel che può intrappolare gli elettroni sulla superficie dei nanotubi. Quando due di questi elettrodi finali vengono inseriti vicini tra loro, una tensione applicata carica un lato di elettroni mentre l'altro viene drenato, creando un supercondensatore super-estensibile carico.

"Abbiamo ancora del lavoro da fare per costruire un sistema elettronico estensibile completo, " Cao ha detto. "Il supercondensatore dimostrato in questo articolo non va ancora fino a quanto vorremmo. Ma con questa base di un robusto supercondensatore estensibile, potremo integrarlo in un sistema composto da fili estensibili, sensori e rilevatori per creare dispositivi completamente estensibili."

Supercondensatori estensibili, spiegano i ricercatori, potrebbero alimentare da soli alcuni dispositivi futuristici, oppure potrebbero essere combinati con altri componenti per superare le sfide ingegneristiche. Per esempio, i supercondensatori possono essere caricati in pochi secondi e quindi ricaricare lentamente una batteria che funge da fonte primaria di energia per un dispositivo. Questo approccio è stato utilizzato per la frenata rigenerativa nelle auto ibride, dove l'energia viene generata più velocemente di quanto possa essere immagazzinata. I supercondensatori aumentano l'efficienza dell'intero sistema. O come il Giappone ha già dimostrato, i supercondensatori possono alimentare un autobus per il pendolarismo urbano, effettuando una ricarica completa ad ogni fermata nel breve tempo necessario per caricare e scaricare i passeggeri.

"Molte persone vogliono accoppiare supercondensatori e batterie insieme, " ha detto Glass. "Un supercondensatore può caricarsi rapidamente e sopravvivere a migliaia o addirittura milioni di cicli di carica, mentre le batterie possono immagazzinare più carica in modo che possano durare a lungo. Metterli insieme ti dà il meglio di entrambi i mondi. Svolgono due diverse funzioni all'interno dello stesso sistema elettrico."